砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性與評價方法研究

陳維超，楊偉軍

(1.湖南建工集團有限公司， 湖南 長沙 410004； 2.長沙理工大學)

鉆孔樁因具有承載力大、穩(wěn)定性高、能協(xié)調不均勻沉降的特點，已在建筑工程、鐵路與公路、市政橋梁、港口碼頭以及大型構筑物等工程中得到了廣泛的應用。鉆孔樁成孔過程中改變了土體的初始平衡應力狀態(tài)，由于砂性土黏聚力低，如采用的技術或措施不當，易導致孔壁縮徑、塌孔等質量問題。關于鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性問題，可通過孔壁土體應力數學模型分析孔壁土體的應力狀況，研究土體物理性能、護壁泥漿、地下水埋深等因素對孔壁穩(wěn)定性的影響，采用樁孔徑最小、最大泥漿深度概念來判斷孔壁的穩(wěn)定性?；蛞詮椥岳碚摓榛A，采用莫爾-庫侖屈服準則，建立孔壁穩(wěn)定性計算式來分析孔壁穩(wěn)定性的條件。由于成孔后的卸荷效應，孔壁在土體側向力及有效豎向應力的作用下，產生的塑性區(qū)將導致樁孔的縮徑或孔壁的坍塌，砂土地區(qū)孔壁穩(wěn)定性問題主要表現(xiàn)為孔壁坍塌問題。在孔壁穩(wěn)定性評價方面，張嘉鑫采用模糊數學理論中的綜合評價方法，構建鉆孔樁孔壁坍塌的模糊綜合評價模型;謝翔基于統(tǒng)一強度理論對孔壁穩(wěn)定性進行了分析。

砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性受地質情況、護壁泥漿、地下水、施工工藝等因素的綜合影響，該文結合工程實踐，采用有限元數值模擬分析對砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性影響因素及機理進行分析，并建立砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性評價模型與評價方法，可為砂土地區(qū)鉆孔樁的施工提供一定的參考。

1 孔壁穩(wěn)定性分析模型

采用Plaxis巖土工程數值分析軟件，分析土質情況、泥漿密度、樁深、樁徑、地下水位以及鋼護筒埋置深度等因素對孔壁穩(wěn)定性的影響特性。因樁孔符合軸對稱模型條件，分析模型建立時，采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構關系及二維軸對稱模型，水平方向的孔周土取大于孔半徑的10倍，豎向方向的孔底土取大于孔深的0.5倍，護壁泥漿等效成靜水壓力模擬作用在孔壁上。分析模型及網格劃分如圖1所示。

圖1 分析模型及網格劃分圖

假設砂土為勻質體，其天然重度為18 kN/m3，飽和重度為20 kN/m3。鉆孔過程中土體向孔內變形為側向卸荷變形，其側向卸荷變形模量應考慮應力路徑的影響，即：

(1)

2 孔壁穩(wěn)定性影響機理分析

2.1 內摩擦角對孔壁穩(wěn)定性的影響特性

鉆孔樁孔深L為60 m，孔徑D為2 m，地下水位標高為+5 m，護壁泥漿相對密度Gm=1.05，砂土內摩擦角φ為20°、25°、30°、35°、40°時對孔壁穩(wěn)定性的影響如圖2所示。

圖2 不同土質孔壁橫向位移與孔深的關系

由圖2可以看出：土體內摩擦角越大越有利于孔口的穩(wěn)定，內摩擦角φ為20°、25°、30°、35°、40°時，孔口邊緣橫向位移S分別為68.5、17.08、2.02、0.23、0.17 mm；隨鉆孔深度增加至地下水位標高時，孔壁橫向位移隨孔深逐漸減少，然后隨鉆孔深度增加孔壁橫向位移逐漸增大，在距孔底約2 m處，孔壁橫向位移達到最大值，其最大橫向位移Smax分別為68.4、37.1、18.97、8.8、6.9 mm(圖3)，至設計孔深時孔壁橫向位移迅速減小。

圖3 孔壁最大橫向位移與內摩擦角的關系

由圖3可知：在其他條件相同時，孔壁最大橫向位移與土體內摩擦角呈指數函數關系，其關系式為：

(2)

式中：y(φ)為砂土內摩擦角φ的函數(mm)。

上述結果表明：砂土地區(qū)同一深度鉆孔樁孔壁橫向位移隨土體內摩擦角的增大而減少，這是因為隨著砂土的內摩擦角增大，砂土的抗剪強度也增大，越有利于孔壁的穩(wěn)定；當內摩擦角φ大于35°時，進一步增大砂土的內摩擦角對提高土體穩(wěn)定性的幅度有限。

2.2 孔徑對孔壁穩(wěn)定性的影響特性

鉆孔樁孔深L為60 m，地下水位標高為+0 m，護壁泥漿相對密度Gm=1.05，砂土內摩擦角φ為30°，孔徑D為1 000、1 600、2 000、2 600、3 000 mm時對孔壁穩(wěn)定性的影響如圖4、5所示。

圖4 不同孔徑孔壁橫向位移與孔深的關系

圖5 孔壁最大橫向位移與孔徑的關系

由圖4、5可知：孔壁橫向位移隨鉆孔孔徑、孔深度增大而增大，距孔底約2 m位置處，孔徑D為1 000、1 600、2 000、2 600、3 000 mm的孔壁最大橫向位移Smax分別為8、17.34、21.65、27.13、29.73 mm， 并與孔徑呈指數函數關系，其關系式為：

y(D)=32.825 4-63.545 5×0.999 1D，R2=0.999 8

(3)

式中：y(D)為鉆孔直徑D的函數(mm)。

根據分析結果及式(3)可知：減小鉆孔直徑，有利于孔壁的穩(wěn)定；當孔徑小于3 m時，鉆孔樁的孔壁最大橫向位移隨孔徑增大而增大；當孔徑大于3 m時，孔壁最大橫向位移計算值趨于穩(wěn)定，這是因為鉆孔直徑增大，孔壁周圍土體卸載量也隨之增大，孔壁的土拱效應減弱，護壁泥漿側向力不足以抵抗土體卸載所形成的側向力而導致失穩(wěn)，在理論計算模型中以孔壁橫向位移的變形來體現(xiàn)，在實踐工程中則表現(xiàn)為坍塌現(xiàn)象。建議在砂土地區(qū)中鉆孔樁直徑不宜大于3 m，其原因為：① 在砂土地區(qū)采用大直徑鉆孔樁難以成孔；② 盡管提高了單樁自身的承載力，但基樁與樁周土側摩阻承載力提高有限，對于大噸位設計荷載，建議采用群樁基礎。

2.3 鉆孔深度對孔壁穩(wěn)定性的影響特性

砂土內摩擦角φ為30°，地下水位標高為+0 m，護壁泥漿相對密度Gm=1.05，鉆孔深度L為40、60、80、100、120 m對孔壁穩(wěn)定性的影響如圖6、7所示。

圖6 孔深對孔壁橫向位移的影響

圖7 孔壁橫向位移與孔深擬合關系式

由圖6、7可以看出：鉆孔深度為40、60、80、100、120 m時孔壁最大橫向位移分別為9.87、21.65、29.58、30.27、37.67 mm；鉆孔深度為40～100 m，孔壁橫向最大位移發(fā)生在距孔底約2 m處；鉆孔深度為120 m時，孔壁橫向最大位移發(fā)生在距孔底約5 m處。

在其他條件相同時，孔壁橫向位移隨孔深增加而增大，與鉆孔深度呈較好的線性關系，這是因為隨著鉆孔深度的增加，深層土體的卸荷量增大，由于砂土具有較大的內摩擦角，土體的致塌應力與孔深呈線性關系。

2.4 地下水位對孔壁穩(wěn)定性的影響特性

砂土內摩擦角φ為30°，鉆孔深度L為80 m，護壁泥漿相對密度為Gm=1.05，地下水位埋置深度h為0、10、20、30、40 m對孔壁穩(wěn)定性的影響見圖8。

圖8 地下水埋深對孔壁橫向位移的影響

由圖8可知：不同地下水位埋深，其孔壁最大橫向位移發(fā)生距離孔底2～3 m處，其最大橫向位移值約為30 mm，其不同埋置深度的地下水位對孔壁穩(wěn)定性的影響較少。

2.5 泥漿對孔壁穩(wěn)定性的影響特性

鉆孔樁孔深L為60 m，孔徑D為2 m，地下水位標高為+5 m，土體的內摩擦角為φ=30°，護壁泥漿相對密度Gm=1.05、1.10、1.15、1.20、1.25對孔壁穩(wěn)定性的影響如圖9所示。

圖9 泥漿相對密度對孔壁橫向位移的影響

由圖9可知：孔口至地下水位段，孔壁橫向位移隨鉆孔深度逐漸減小，然后隨孔深增加而增大，距離孔底2～3 m處，孔壁橫向位移達到最大值，地下水位至孔底區(qū)段孔壁橫向位移與鉆孔深度基本呈線性關系。提高泥漿的密度，孔壁橫向位移整體上呈減小的趨勢，有利于孔壁的穩(wěn)定性，但對減小孔壁位移的幅度有限。在工程實踐應用中，如果采用高密度的泥漿來增加孔壁的穩(wěn)定性，則泥漿將會在孔壁上形成一層較厚的泥皮，影響基樁承載力。因此，在工程中應配置優(yōu)質的泥漿，在確?？妆诜€(wěn)定的前提下，盡量減小泥皮效應對基樁承載力的影響，根據以上分析結果，建議砂土地區(qū)鉆孔樁護壁泥漿的相對密度取1.15～1.20。

2.6 鋼護筒對孔壁穩(wěn)定性的影響特性

土體的內摩擦角φ為30°，鉆孔深度L為60 m，護壁泥漿的相對密度Gm=1.05，分析鋼護筒埋置深度為0、5、10 m對孔壁穩(wěn)定性的影響；其中鋼護筒采用Q235鋼材制作，壁厚t取10 mm，彈性模量E=2.06×105MPa。鋼護筒對孔壁穩(wěn)定性的影響如圖10所示。

圖10 鋼護筒對孔壁橫向位移的影響

由圖10可以看出：孔口處采用鋼護筒支護，由于鋼護筒具有較大的剛度和強度，孔壁橫向位移為零，能夠直接消除孔壁坍塌的風險。對于易坍塌的地層，可采用鋼護筒全孔支護以確保成孔的質量。由于孔口位置處土體受力復雜，為防止孔口塌孔，通常在孔口位置設置鋼護筒進行支護，以確保施工機具、人員的安全。

3 鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性評價方法

3.1 孔壁穩(wěn)定性評價指標因素

影響鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性有定量化和非定量化因素，包括土質、土層結構、鉆孔深度、鉆孔直徑、護壁泥漿密度、地下水位、鋼護筒埋深等，這些構成了砂土地區(qū)鉆孔樁壁穩(wěn)定性的因素空間。該文采用灰色系統(tǒng)理論，對影響孔壁穩(wěn)定性因素進行灰色分析，建立鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性評價模型及評價方法。在確定評價指標體系時采取專家經驗法以及評價指標。評價指標按以下原則確定：評價指標對評價目標是充分與必要的；評價指標對應的要素數據可以從當前工作階段獲得；評價指標之間相互獨立，并應著重考慮重要的控制因素。砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性影響因素如下：砂土土質x1、土層結構x2、鉆孔深度x3、鉆孔直徑x4、泥漿密度x5、地下水位x6、鋼護筒埋深x7、施工工藝x8。

3.2 變權集的確定及綜合評價模型

評價模型的精度與因素權重的確定有著重要的關系，在實際工程中，評價因素的重要性一般采用常權的方法來反映，而對于變權的方法，在可變的權重中，需要考慮各評價因素的相對重要性，同時也要考慮它們的組態(tài)，因此，采用變權法更能符合工程的實際情況。

3.2.1 因素常權的確定

利用灰色關聯(lián)法確定因素常權，對非定量因素進行定量分析。

以w0={w0(k)|k=1,2,…,n}為參考數列，wi={wi(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2,…,m)為比較數列。

則wi(k)與w0(k)的關聯(lián)系數：

ηi(k)=

(4)

取ξ=0.5，各因素的關聯(lián)度按下式計算：

(5)

采用歸一化處理其關聯(lián)度，可得到因素的權重集。

3.2.2 變權集的確定

根據3.2.1節(jié)的計算，常權向量采用以下表示：

SW={S1(W),S2(W),…,Sn(W)}，其中W=(w1,w2,…,wn)∈[0,1]n。

將常權向量與狀態(tài)變權向量的Hardarmard積得到變權向量：

(6)

(7)

因素的變權集可表示為：

(8)

根據工程經驗，取b=0.5為宜。

3.2.3 評價關系矩陣及綜合評價模型

指標因素為n個，評估對象為m個，評估對象的各指標作單因素進行評價，其評價關系矩陣為：

(9)

在工程實際應用中，可采用專家評分的方法來確定m個評價對象的評價關系矩陣，其指標計分應遵循以下規(guī)則：以100分制進行打分；指標集中的某一因素評價的平均值計為l；低于l的某一評價因素平均值計為A；高于l的某一評價因素平均值計為B。則每位專家對評價指標因素及某一因素平均的估計值為：

Wij=(A+4l+B)/6

(10)

式(10)的評價值去除了評價的最大值、最小值和異常的數值，同時也重視了專家評價的平均值，較為符合實際，可得wij=Wij/100。

對單個對象進行評價，評價模型為：

(11)

對m個對象進行評價，其評價模型為：

(12)

3.3 工程應用

加蓬共和國的奧果韋河特大橋，其地質為厚砂土層，采用超長鉆孔灌注樁基礎，設計樁長為60～90 m，直徑為1 600、1 800 mm，選取5根基樁進行試樁，對試樁的孔壁穩(wěn)定性進行評價,并對試樁的成孔質量進行現(xiàn)場檢測。邀請科研院校、建設單位、設計單位、施工單位和監(jiān)理單位的5位專家對權重和因素進行咨詢評價，得到各評價指標權重的評價信息如表1所示。并依據各專家對鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性影響因素的評價，采用式(10)可得到鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性評價指標的統(tǒng)計信息，結果見表2。

表1 評價指標權重的評價信息

表2 評價指標的統(tǒng)計信息

從表1可以看出：其最大權重為0.30，設定參考數列w0=(0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3)，將參考數列及表1代入式(4)、(5)得到評價指標的權重見表3所示。

表3 評價指標權重計算值

根據3.2節(jié)及表2數據得到指標評價矩陣：

將各數據代入式(6)～(12)，得到5根基樁孔壁的穩(wěn)定性評價結果B=(0.870，0.846，0.852，0.840，0.842)，從上述評價結果可以看出，各基樁孔壁的穩(wěn)定性ZK1(0.870)>ZK3(0.852)>ZK2(0.846)>ZK5(0.842)>ZK4(0.840)。根據穩(wěn)定性評價結果，可以相對地反映各因素對鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性的影響程度以及各鉆孔樁孔壁的穩(wěn)定性。

4 結論

(1) 砂土的內摩擦角愈大，其抗剪強度愈高，孔壁越穩(wěn)定，當內摩擦角達到35°后，再一步增大內摩擦角對提高土體的穩(wěn)定性有限；鉆孔直徑愈大，孔壁周圍土體的卸荷量也隨之增大，土拱效應減弱，孔壁越不穩(wěn)定；但地下水位的埋深對孔壁穩(wěn)定性影響較小。

(2) 砂土鉆孔樁孔壁的穩(wěn)定性隨護壁泥漿的密度增大而提高，但提高的幅度有限，在確?？妆诜€(wěn)定的前提下，應盡量減小泥皮效應對基樁承載力的影響，建議砂土地區(qū)鉆孔樁護壁泥漿的相對密度宜取1.15～1.20。對于坍塌風險區(qū)域，可采用鋼護筒支護措施直接解決塌孔事故。

(3) 孔壁的最大橫向位移與土體的內摩擦角以及孔徑呈指數函數關系，孔壁橫向位移與鉆孔深度呈線性函數，隨孔深增加而增大。

(4) 綜合考慮了砂土地區(qū)鉆孔樁孔壁穩(wěn)定性指標因素組合對權重的影響，構建了孔壁穩(wěn)定性的灰色變權綜合評價模型及評價方法，滿足現(xiàn)場實踐工程的需要。